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水泥生产是温室气体的一个重要来源，要削减温室气体排放量，就要充分认识水泥这种已知最复杂的材料。

撰文：伊万·阿马托（Ivan Amato） 翻译：冉隆华

2013年，全球水泥产量预计会有34亿吨，如果发展中国家的建设热潮持续下去，明年全球水泥产量还会更大。水泥是人类文明的一种关键材料，造就了无数宏伟工程，诸如具有2,000年历史的罗马万神殿，以及无数现代摩天大楼和高速公路。

硅酸盐水泥是当今使用最广泛的材料，由石灰石和黏土在巨大的窑里焙烧而成。然而，水泥生产过程对地球气候造成了不利影响，每生产一吨水泥，就要向大气排放将近一吨的CO2。硅酸盐水泥生产的温室气体排放量大约占人类温室气体排放总量的5%。

更糟糕的是，对寻求温室气体减排方法的研究人员来说，水泥不仅仅数量庞大，随处可见，它还是材料科学中已知最复杂的物质之一。从水泥的结构和组成，到水泥与水的混合反应，再到水泥在模具中的成型，“对一些最基本的问题我们都还没有找到答案，”麻省理工学院混凝土可持续发展中心（CSHub）的负责人哈姆林·詹宁斯（Hamlin Jennings）说。

美国国家标准技术研究院的水泥专家肯尼思·施奈德（Kenneth Snyder）补充道，“水与水泥粉末接触的那一瞬间发生了什么，就是科学家争论激烈的热门话题，几乎达到宗教战争的程度”。

然而，碳税和排放总量交易市场的前景，已经促使世界各地的水泥团体开始采用绿色或者可持续的措施。这些措施包括支持基础研究和推动国际建筑规范改革。如果这些措施获得成功，水泥行业的碳足迹最终可能削减一半。

CSHub是该领域最大的学术研究中心之一。该中心成立于2009年，过去5年总共从水泥行业赞助商那里获得了1 000万美元的资金，现在该中心的主要研究人员有10多名，研究涵盖了从水泥各种结构的功能，到水泥量子力学特性的各个方面。詹宁斯说，这项研究显然是一个挑战，因为人们要在分子水平上认识水泥生产问题。

水泥的神奇之处

詹宁斯说，水泥制造工艺始于石灰石和硅铝酸盐黏土混合，“每种物质都有自身的化学特性和杂质，”在1 500℃左右的条件下，这两种物质在水泥窑中一起被焙烧，发生多种反应。游戏弹珠大小的淡灰色块状产物就是所谓的“熟料”。熟料含有硅、铁和铝的氧化物（主要来源于黏土）和氧化钙。加热时，石灰石碳酸钙中的CO2会分离出来，形成氧化钙，这是水泥工艺CO2排放的主要来源之一，另一个主要的CO2来源是加热窑炉的燃料。一旦熟料冷却后，就将其与石膏混合（石膏量控制水泥的凝结速度），然后磨成面粉那样的粉末，并运输到“搅拌站”。

在搅拌站，水泥粉末与水混合，形成一种糊状物，其稠度取决于它的预期用途——比如桥梁浇注或路面铺设。大多数情况下，糊状物与沙、砾石或者更大的石块混合，形成混凝土。然后，用卡车把混凝土运到施工现场，倒入模具，经历固化过程，该过程最初很快，但是最终可能需要几个月时间才能完成。

詹宁斯说：“非常奇特之处，也是深度研究的主题是，混合物最初几个小时保持流体状态，然后，一系列同时发生的强烈化学反应开始生成许多产物，形成硬化过程。”对最终材料而言，最重要的是水化反应，它把水和粉状熟料变成人造石头——水化硅酸钙（CaO-SiO2-H2O或者简写为C-S-H）。CSHub的物理化学家罗兰·佩伦克（Roland Pellenq）说：“地球上的所有建筑都离不开这一从流体到石头的转化过程。”

但是，佩伦克强调，C-S-H是极不精确的化学式。它没有表示出各组分的确切比例，给定凝固混凝土样品的反应产物，决定于初始用料、用水量、钙/硅比例、添加剂、污染物、温度和湿度。当然，混泥土不透光，增加了分析混凝土形成时C-S-H比例的难度。

改良生产方法

佩伦克说，虽然存在这些挑战，但是他和同事在碳排放问题方面不断取得进展。一个有希望的减排途径是，寻到降低焙烧温度的方法，从而减少燃料使用。硅酸三钙（Ca3SiO5）和硅酸二钙（Ca2SiO4）是生成水泥熟料的两种主要矿物，它们形成C-S-H。其中，硅酸三钙活性更强，加水几个小时就开始凝固，产生混凝土最初的强度。生成硅酸三钙足足需要1,500℃，而生成硅酸二钙大约只需要1,200 ℃。硅酸二钙最终强度更大，但需要数天甚至数月才开始硬化，这个时间太长了，因而它不能单独用于建筑项目。佩伦克及其同事正在研究，有没有这样一些硅酸二钙晶体，它们具有硅酸三钙那样的活性，却仍然能在较低窑温下生成，从而节约燃料。

上述问题的解决方法取决于原子尺度的细节，例如晶体中的电子分布。研究人员对铝、镁和其他杂质如何影响C-S-H结构展开了量子力学计算。正如佩伦克所说，“为了用量子的方法研究熟料，你必须知道电子在哪里”。CSHub的研究人员发现，硅酸三钙晶体总有一面比其他面更易溶于水，而硅酸二钙晶体所有面的溶解性都差不多，并且硅酸二钙晶体更不容易与水反应。这就是硅酸二钙比硅酸三钙凝固慢的原因所在。但是，佩伦克说，研究结果还表明，镁等一些杂质有助于硅酸二钙溶于水。这可以使其凝固得足够快，从而能用作建筑水泥的主要成分。

然而，采用在低温下生成的硅酸二钙可能带来新问题。CSHub机械工程师弗朗茨-约瑟夫·乌尔姆（Franz-Josef Ulm）的小组发现，把硅酸二钙研磨成粉末，这一过程消耗的能源比研磨硅酸三钙多4～9倍，这可能抵消使用富含硅酸二钙的熟料带来的温室气体减排效果。

美国Ceratech水泥公司等正在寻找传统熟料的替代品。该公司已经从2 000年前古罗马工程师所使用的水泥里找到了灵感。那时的水泥主要成分是火山灰，它们能与水发生反应生成水泥，火山灰的功能就相当于天然熟料。Ceratech公司正在利用工业火山灰——粉煤灰，即从燃煤电厂燃烧气体中过滤出的细微颗粒。美国燃煤电厂每年大约产生7 000万吨粉煤灰，其中大部分在填埋场储存或者处理。Ceratech公司把粉煤灰与一些特制的液体添加剂混合，转换成水泥。该公司宣称，由于这种工艺不需要加热，因而他们的粉煤灰水泥生产不会增加大气CO2总量。

Ceratech公司执行副总裁马克·瓦西尔科（Mark Wasilko）说，虽然在制备混凝土的过程中，一些工厂使用粉煤灰已有好些年，且含量达到15%，但Ceratech公司的配方中，粉煤灰含量高达95％，而液体成分只有5%。此外，他说，粉煤灰水泥制成的混凝土强度高于常规水泥，因此设计人员可以少用水泥。该公司表示，就典型的占地4,600平方米的3层楼房而言，使用粉煤灰水泥，可以少用183立方米混凝土以及大约34吨钢筋，还可以为填埋场分流374吨粉煤灰，相当于减少了320吨CO2排放。

瓦西尔科说，目前Ceratech公司只是水泥行业的一名小卒，对数十亿吨碳排放量而言，它的减排量只是沧海一粟。只有当建筑行业成千上万的独立生产商、工程师、建筑师、城市规划者和建筑监管者接受新一代水泥的时候，才会形成大量减排的局面。而这意味着，需要减少消费者对绿色水泥的担心，否则人们会更愿意选择经过时间考验的传统水泥。而施奈德担心的似乎是：“如果这条路走不通，我的老板会捶扁我。”

如果更多国家出台碳税或者实施“总量控制和交易”计划，使碳排放成本比现在高得多，那么上述态度可能会发生改变。但近期要克服阻力，更实际的方法是实施桥梁、道路和楼宇等示范工程，从而证明使用新型水泥和混凝土材料的可行性。瓦西尔科说，他希望公司每年的几十个项目有助于实现这个目标。

行动起来吧，理由足够了，读完这篇文章需要8分钟左右，而就在这短短的时间里，水泥制造商又向大气排放了30,000吨CO2。

本文作者：伊万·阿马托是美国马里兰州的自由科学作家。